(57)【要約】【課題】電力用半導体モジュールの各部位に温度センサを設けることなく、電力用半導体モジュールの余寿命を正確に推定する。【解決手段】電力用半導体モジュール１の安全装置２は、温度センサ３が検出した代表部位の温度に基づいて電力用半導体モジュール１の各部位における温度を推定する各部位温度推定部１１と、代表部位または各部位の少なくとも２つ以上の部位において推定された温度に基づいて電力用半導体モジュール１の各部位における余寿命を推定する各部位余寿命推定部１２と、推定された電力用半導体モジュール１の各部位の余寿命に基づいて電力用半導体モジュール１としての余寿命を判定する余寿命判定部１３とを備える。【選択図】図１
2010165717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの半導体チップを含む電力用半導体モジュールの少なくとも１つの代表部位における温度を検出する温度検出手段と、
検出された温度に基づいて電力用半導体モジュールの各部位における温度を推定する各部位温度推定手段と、
代表部位または各部位の少なくとも２つ以上の部位において推定された温度に基づいて電力用半導体モジュールの各部位における余寿命を推定する各部位余寿命推定手段と、
推定された電力用半導体モジュールの各部位の余寿命に基づいて電力用半導体モジュールとしての余寿命を判定する余寿命判定手段と、
を備えたことを特徴とする電力用半導体モジュールの安全装置。
【請求項２】
前記各部位温度推定手段は、前記温度検出手段によって検出された代表部位の温度と電力用半導体モジュールが設置されている周囲の温度から、代表部位と周囲との温度差を求め、代表部位と周囲との間の熱抵抗と各部位と周囲との間の熱抵抗の比を用いることによって、各部位における温度を推定することを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体モジュールの安全装置。
【請求項３】
前記温度検出手段と前記各部位温度推定手段とは、電力用半導体モジュールが稼働していない状態であっても作動し、前記各部位温度推定手段は、電力用半導体モジュールが稼働していない状態において代表部位と各部位とが全て同一温度であると推定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力用半導体モジュールの安全装置。
【請求項４】
前記各部位余寿命推定手段は、各部位を構成する材料に応じた疲労パラメータの演算式を用いて各部位の疲労パラメータを演算し、各部位に応じた寿命特性式を用いて各部位の余寿命を推定することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の電力用半導体モジュールの安全装置。
【請求項５】
前記余寿命判定手段は、前記各部位余寿命推定手段が推定した各部位の余寿命から最小値を求めて、この最小値を電力用半導体モジュールの余寿命とすることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の電力用半導体モジュールの安全装置。
【請求項６】
前記余寿命判定手段は、各部位の余寿命の時間変化から求まる余寿命の低下速度を用いて各部位の余寿命時間を演算し、各部位の余寿命時間を比較し、その比較結果に基づきモジュールの余寿命を判断することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の電力用半導体モジュールの安全装置。
【請求項７】
前記余寿命判定手段が判定した電力用半導体モジュールの余寿命に基づき、特定の部位における疲労パラメータを低減させる制御を行う延命制御手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の電力用半導体モジュールの安全装置。
【請求項８】
前記延命制御手段は、電力の立上り時に前記半導体チップに形成された半導体素子のスイッチング周波数を下げて該半導体素子の急激な発熱を抑える、または電力の立上り時に電流の立上り速度を下げて該半導体素子の急激な発熱を抑える、または最高出力電力を下げて該半導体素子の最高温度を抑える、または電力の立下り時にスイッチング周波数を上げて該半導体素子の急激な冷却を抑える、または電力の立下り時に無効電流を流して該半導体素子の急激な冷却を抑える、のいずれか１つ以上を行うことで前記半導体チップ周辺の部位における疲労回数を低減させることを特徴とする請求項７に記載の電力用半導体モジュールの安全装置。
【請求項９】
前記延命制御手段は、前記各部位温度推定手段が推定した放熱器周辺の部位の温度が上限しきい値を上回った場合に、冷却性能を上げて放熱器周辺の部位の温度上昇を抑える、または前記温度が下限しきい値を下回った場合に、冷却性能を下げて放熱器周辺の部位の温度下降を抑える、または前記延命制御手段は電力用半導体モジュールが稼働していない状態であっても前記温度検出手段と共に独立して作動し、前記温度検出手段が検出した代表部位の温度が上限しきい値を上回った場合に、放熱器を稼動させて電力用半導体モジュール全体の温度上昇を抑える、または代表部位温度が下限しきい値を下回った場合に、前記半導体チップに形成された半導体素子に無効電流を流して電力用半導体モジュール全体の温度下降を抑える、のいずれか１つ以上を行うことで放熱器周辺の部位における疲労パラメータを低減させることを特徴とする請求項７に記載の電力用半導体モジュールの安全装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用半導体モジュールの余寿命を正確に推定することができる電力用半導体モジュールの安全装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体整流素子や半導体スイッチング素子の寿命を判定する方法として、放熱器の温度と入力電流に基づいてジャンクション温度を推定し、ジャンクション温度の変動幅から素子の疲労度を推定し、疲労度が所定値に達した場合に素子の寿命と判定する方法が知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平３−２６１８７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、電力用半導体モジュールの破壊は半導体チップのみではなく、端子のはんだ付け部やケースへのワイヤーボンディング部など、多岐に亘るので、熱疲労のメカニズムや寿命特性も各部位で異なる。また例え、最終的なモジュール故障が半導体チップ破壊であったとしても、その真の原因は半導体チップの疲労ではなく、半導体チップの放熱経路に存在する絶縁基板下ハンダ接合部やベース下グリス接着部の熱疲労による急激な熱抵抗増大が、最終的にチップ破壊を引き起こす場合も多々考えられる。
【０００５】
このように上記従来例は、半導体チップのみの疲労度については管理できても、その他の部位の疲労度を考慮していないために、電力用半導体モジュール全体としての正確な余寿命管理ができないという問題点があった。
【０００６】
以上の問題点に鑑み本発明は、電力用半導体モジュールの各部位の温度を測定する温度測定手段の増加による体積増加、製造コストの増大、誤検出といった問題を抑制しつつ、電力用半導体モジュールの余寿命を正確に推定することができる電力用半導体モジュールの安全装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために本発明は、電力用半導体モジュールの少なくとも１つの代表部位における温度を検出し、検出された温度に基づいて電力用半導体モジュールの各部位における温度を推定し、代表部位または各部位において推定された温度に基づいて電力用半導体モジュールの各部位における余寿命を推定し、各部位の余寿命に基づいて電力用半導体モジュールとしての余寿命を判定する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電力用半導体モジュールの各部位の温度を測定する温度測定手段の増加による体積増加、製造コストの増大、誤検出といった問題を抑制しつつ、電力用半導体モジュールの余寿命を正確に判定することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る電力用半導体モジュールの安全装置の実施例を説明するシステム構成図である。
【図２】電力用半導体モジュールの例を示す模式断面図である。
【図３】実施例の電力用半導体モジュールの安全装置における動作を説明する概略フローチャートである。
【図４】実施例の電力用半導体モジュールの安全装置における温度検出及び温度推定を説明する詳細フローチャートである。
【図５】実施例の電力用半導体モジュールの安全装置における各部位の余寿命推定を説明する詳細フローチャートである。
【図６】実施例の電力用半導体モジュールの安全装置におけるモジュールの余寿命判定を説明する詳細フローチャートである。
【図７】実施例の電力用半導体モジュールの安全装置におけるモジュールの延命処置を説明する詳細フローチャートである。
【図８】実施例の電力用半導体モジュールの安全装置におけるモジュールの延命処置制御Ｅを説明する詳細フローチャートである。
【図９】実施例の電力用半導体モジュールの安全装置におけるモジュールの延命処置制御Ｄを説明する詳細フローチャートである。
【図１０】実施例の電力用半導体モジュールの安全装置における（ａ）温度差ΔＴ（ｉ）の求め方、（ｂ）電力用半導体モジュールの寿命特性を説明する図である。
【図１１】実施例の電力用半導体モジュールの安全装置における延命処置の例として、（ａ）出力制御による温度Ｔｂの振幅抑制、（ｂ）冷却水流量増加による温度Ｔｃの振幅抑制を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る電力用半導体モジュールの安全装置の実施例を含む車両の電力制御システムの要部構成図である。本実施例は、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に本発明を適用した例を示しているが、定置型の電力変換装置、例えば、家庭用及び業務用の空気調和装置のインバータ等にも本発明を適用することが可能である。
【００１１】
図１において、車両の電力制御システムは、電力用半導体モジュール１（以下、単にモジュールと略すこともある）と、電力用半導体モジュールの安全装置（以下、単に安全装置と略す）２と、電力用半導体モジュール１の代表部位の温度を検出する温度センサ３と、電力用半導体モジュール１を冷却する放熱器４と、冷却水ポンプ５と、ラジエータ６と、ファン７と冷却水温度センサ８と、冷却水路９と、インバータ制御部１０とを備えている。
【００１２】
電力用半導体モジュール１は、後述する図２で説明するように、少なくとも一つの半導体チップを含む電力用半導体モジュール１であり、本実施例においては、インバータ制御部１０から駆動される半導体素子を集積した電力用半導体モジュール１である。また電力用半導体モジュール１には、その代表部位の温度を検出する温度センサ３が設けられている。温度センサ３で検出された代表部位の温度検出値は、安全装置２へ取り込まれる。さらに電力用半導体モジュール１は、放熱器４に取り付けられ、動作時の発熱を冷却可能となっている。
【００１３】
放熱器４は、冷却水ポンプ５及びラジエータ６と冷却水路９により接続されている。冷却水ポンプ５は、放熱器４から排出される高温の冷却水をラジエータ６で熱交換させて再び放熱器４へ戻すように、冷却水を循環させる。また、ラジエータ６に送風するファン７が設けられ、車両の走行風ではラジエータ６からの放熱が不十分な場合に、ファン７が駆動される。放熱器４の冷却水出口付近には、冷却水温度センサ８が設けられ、冷却水温度の検出値は、安全装置２へ送られる。
【００１４】
安全装置２は、電力用半導体モジュール１の余寿命を判定する装置である。安全装置２は、温度センサ３が検出した代表部位の温度に基づいて電力用半導体モジュール１の各部位における温度を推定する各部位温度推定部１１と、代表部位または各部位の少なくとも２つ以上の部位において推定された温度に基づいて電力用半導体モジュール１の各部位における余寿命を推定する各部位余寿命推定部１２と、推定された電力用半導体モジュール１の各部位の余寿命に基づいて電力用半導体モジュール１としての余寿命を判定する余寿命判定部１３と、を備えている。
【００１５】
これにより、電力用半導体モジュールの各部位の温度を測定する温度測定手段の増加による体積増加、製造コストの増大、誤検出といった問題を抑制しつつ、電力用半導体モジュールの余寿命を正確に推定することができるという効果がある。
【００１６】
特に限定されないが本実施例では、安全装置２は、ＣＰＵと、プログラムＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、温度及び寿命推定の履歴データ（後述するデータＡ及びデータＢ）を記憶する不揮発性メモリと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成され、その機能はＣＰＵがプログラムＲＯＭに格納されたプログラムを実行することにより達成されている。
【００１７】
また、安全装置２は、余寿命判定部１３が判定した電力用半導体モジュール１の余寿命に基づき、電力用半導体モジュール１の特定の部位における疲労パラメータを低減させる制御を行う延命制御部１４を備える。
【００１８】
この延命制御部１４により、特に余寿命が短くなった部位に加わる熱負荷を低減できるので、電力用半導体モジュール１としての余寿命を延ばすことができるという効果がある。
【００１９】
ここで、「疲労パラメータ」と余寿命を推定する「寿命特性式」は、例えば、部位がはんだ接合層の場合、疲労パラメータは、はんだ接合層を挟む２つの部材間の熱膨張係数の相違に由来する温度変化による非線形ひずみ振幅である。寿命特性式は、はんだに非線形ひずみ振幅が繰返し加わった場合に、何回で寿命に達するかを示す式であり、例えば、後述する式（５）のマンソン・コフィン則が適用可能である。
【００２０】
延命制御部１４は、冷却水ポンプ５及びファン７を制御して放熱器４の温度変化幅を抑制する冷却制御部１５と、半導体素子のスイッチング周波数を変更するスイッチング周波数制御部（以下、ＳＷ周波数制御部と略す）１６と、半導体素子の電流を制御することにより電力用半導体モジュール１の温度変化を抑える制御を行う電流制御部１７と、最高出力電力を下げて半導体素子の最高温度を抑える電力制御部１８とを備える。
【００２１】
ＳＷ周波数制御部１６と、電流制御部１７と、電力制御部１８とは、インバータ制御部１０を制御することにより、電力用半導体モジュール１の温度変化を低減し、電力用半導体モジュール１の熱疲労パラメータを低減させるものである。
【００２２】
図２は、電力用半導体モジュール１の内部構成例を示す模式断面図である。電力用半導体モジュール１は、少なくとも１つの半導体チップ５１と、熱伝導性セラミックなどを用いた絶縁基板５２と、銅または銅−モリブデン（Ｃｕ−Ｍｏ）合金等の高熱伝導性の放熱ベース５３と、バスバー５４，５５と、制御配線５６と、絶縁性の樹脂等によるモールド成型されたケース６１とを備える。
【００２３】
絶縁基板５２の上面と下面には銅箔５８が接着されている。半導体チップ５１は、絶縁基板５２の上面の銅箔５８に比較的高融点のチップ下はんだ５９によりはんだ付けされている。また絶縁基板５２の下面の銅箔５８は、比較的低融点の基板下はんだ６０により放熱ベース５３の上面にはんだ付けされている。放熱ベースの下面は、グリス６２を介して放熱器４を接触している。
【００２４】
バスバー５４は、半導体チップ５１の上面の形成された図示しない主電極（例えばドレイン）用ボンディングパッドとワイヤ５７によりワイヤボンディング接続されている。バスバー５５は、絶縁基板５２の上面の銅箔５８とワイヤ５７によりワイヤボンディング接続されている。制御配線５６は、半導体チップ５１の上面に形成された図示しない制御電極（例えばゲート）用ボンディングパッドとワイヤ５７によりワイヤボンディング接続されている。またケース６１内の空間は、図示しない熱伝導性且つ絶縁性のゲルにより充填されている。
【００２５】
本実施例では、電力用半導体モジュール１の熱疲労をモニタする部位を、半導体チップ５１上のワイヤーボンディング部、チップ下ハンダ５９による接合部、基板下ハンダ６０による接合部とし、それぞれ部位Ａ，Ｂ、Ｃとする。また図示しないが半導体チップ５１の横の絶縁基板５２には温度センサ３としてのサーミスタが搭載されており、任意の時間間隔（例えば１秒毎）に温度を測定することが可能である。この温度センサ３が設けられた半導体チップ５１の横の部位を代表部位と呼ぶ。尚、半導体チップ５１の内部に温度センサ３が内蔵されていてもよい。
【００２６】
次に、安全装置２の延命制御部１４の詳細を説明する。延命制御部１４の冷却制御部１５は、次に記載する（１）〜（３）のいずれか１つ以上の制御を行うことで、放熱器４周辺の部位における疲労パラメータを低減させる。（１）各部位温度推定部１１が推定した放熱器４周辺の部位の温度または冷却水温度センサ８が検出した温度が上限しきい値を上回った場合に、ファン７を駆動することにより冷却性能を上げて放熱器４周辺の部位の温度上昇を抑える。（２）放熱器４周辺の部位の温度が下限しきい値を下回った場合に、ファン７の回転数を低下または回転停止させて冷却性能を低下させ放熱器４周辺の部位の温度下降を抑える。（３）電力用半導体モジュール１が稼働していない状態であっても温度センサ３と共に独立して作動し、温度センサ３が検出した代表部位の温度が上限しきい値を上回った場合に、冷却水ポンプ５を稼動させて電力用半導体モジュール１全体の温度上昇を抑える。
【００２７】
延命制御部１４のＳＷ周波数制御部１６は、（１）電力の立上り時に半導体チップに形成された半導体素子のスイッチング周波数を下げて該半導体素子の急激な発熱を抑える、または（２）電力の立下り時にスイッチング周波数を上げて半導体素子の急激な冷却を抑える、といういずれか一方または両方の制御を行う。
【００２８】
延命制御部１４の電流制御部１７は、（１）電力の立上り時に電流の立上り速度を下げて該半導体素子の急激な発熱を抑える、（２）電力の立下り時に無効電流を流して該半導体素子の急激な冷却を抑える、（３）代表部位温度が下限しきい値を下回った場合に、前記半導体チップに形成された半導体素子に無効電流を流して電力用半導体モジュール全体の温度下降を抑える、という（１）〜（３）のいずれか１つ以上の制御を行う。延命制御部１４の電力制御部１８は、最高出力電力を下げて半導体素子の最高温度を抑える制御を行う。
【００２９】
次に、フローチャートを参照して、本実施例における安全装置２の動作を説明する。図３は、本実施例の安全装置２の動作の概略を説明する概略フローチャートであり、図４〜図９は、詳細フローチャートである。
【００３０】
まず図３のステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、安全装置２は、温度センサ３が検出した代表部位の温度測定値を取り込む。次いでＳ１２で安全装置２は、代表部位の温度に基づいて、各部位Ａ，Ｂ，Ｃの温度を推定する。次いでＳ１４で安全装置２は、推定した各部位の温度に基づいて各部位の余寿命を推定する。次いでＳ１６で安全装置２は、各部位の余寿命に基づいて電力用半導体モジュール１（以下、単にモジュールと略す）の余寿命を判定する。次いでＳ１８で安全装置２は、モジュールの余寿命が所定値以下となった場合に、モジュールの延命処置を行う。この延命処置の中には、Ｓ１０及びＳ１２の温度の検出及び各部位の温度の推定が含まれ、延命処置の後には、Ｓ１４の各部位の余寿命の推定へ進む。
【００３１】
＜代表部位の温度検出及び各部位の温度推定＞
次に、図４の詳細フローチャートを参照して、安全装置２による代表部位の温度検出及び各部位の温度推定（図３のＳ１０，Ｓ１２に対応）について詳細に説明する。図４のフローチャートは、温度センサ３による温度検出毎に実行される。
【００３２】
まずＳ２０において、安全装置２は、インバータ制御部１０からの信号に基づいて、電力用半導体モジュール１が稼働中か否かを判定する。稼働中であれば、安全装置２は、Ｓ２１へ進み、基準温度Ｔ０と、温度センサ３による代表部位の温度Ｔを検出する。本実施例では、冷却水温度センサ８が検出した冷却水温度を基準温度Ｔ０としている。しかし、冷却水温度センサ８を設けない場合には、温度検出の１回目に温度センサ３で検出した温度を基準温度Ｔ０として、次回から温度センサ３で検出する温度を代表部位の温度とする方法もある。
【００３３】
次いでＳ２２で安全装置２は、電力用半導体モジュール１が稼動中の各部位の温度を推定する。ここで、部位Ａの温度をＴａ、部位Ｂの温度をＴｂ、部位Ｃの温度をＴｃとし、代表部位から冷却水までの熱抵抗と部位Ａから冷却水までの熱抵抗との比をＫａ、代表部位から冷却水までの熱抵抗と部位Ｂから冷却水までの熱抵抗との比をＫｂ、代表部位から冷却水までの熱抵抗と部位Ｃから冷却水までの熱抵抗との比をＫｃとすると、各部位の温度は、次の式（１）〜（３）で求められる。
【００３４】
部位Ａの温度：Ｔａ＝Ｋａ（Ｔ−Ｔ０）＋Ｔ０        …（１）
部位Ｂの温度：Ｔｂ＝Ｋｂ（Ｔ−Ｔ０）＋Ｔ０        …（２）
部位Ｃの温度：Ｔｃ＝Ｋｃ（Ｔ−Ｔ０）＋Ｔ０        …（３）
この時、部位Ａと部位Ｂは代表部位とほぼ同じ温度と考えＫａ＝Ｋｂ＝１とすることでＴａ＝Ｔｂ＝Ｔとする。部位Ｃの温度Ｔｃは、例えば、温度センサ３（サーミスタ）と冷却水間の熱抵抗を分母に、基板下はんだ６０と冷却水間の熱抵抗を分子においたものをＫｃとして求めることができる。
【００３５】
尚、各熱抵抗値は、電力用半導体モジュール１を供給する部品メーカから数値が提供されているものを用いてもよく、更には各部位に温度センサを設けた実験装置により、実際に温度勾配を加えて熱抵抗値を求めてもよい。
【００３６】
このように、温度センサ３によって検出された代表部位の温度と電力用半導体モジュール１が設置されている周囲の温度から、代表部位と周囲との温度差を求め、代表部位と周囲との間の熱抵抗と各部位と周囲との間の熱抵抗の比を用いることによって、各部位における温度を推定しているので、正確に各部位の温度を推定することができるという効果がある。
【００３７】
尚、式（１）〜（３）に変えて、温度依存性を考慮した多次元の式を用いた温度推定であっても、またシミュレーションを用いたマップ等を使った温度推定であっても構わない。
【００３８】
Ｓ２０の判定で、モジュールが停止している場合は、Ｓ２３で安全装置２は、冷却水温度センサ８による基準温度Ｔ０と、温度センサ３による代表部位の温度Ｔを検出する。モジュールが停止している場合は、置かれた環境温度の変化が電力用半導体モジュール全体の温度になるので、代表部位の温度Ｔが全ての部位の温度になると推定できる。従ってＳ２４において、式（４）により、各部位の温度を推定する。
【００３９】
Ｔａ＝Ｔｂ＝Ｔｃ＝Ｔ                              …（４）
なお、この時の温度検出は、例えば温度センサ３のようなモジュール内の部位ではなく、その他の装置で測定している外気温等や、冷却水温度センサ８の検出値Ｔ０で代替することも可能である。
【００４０】
このように、電力用半導体モジュール１が稼動していない場合には、代表部位と各部位とが全て同一温度と推定することにより、特に環境温度変化が激しい車載用の用途においても、各部位の温度を測定する温度測定手段の増加による体積増加、製造コストの増大、誤検出といった問題を抑制しつつ、電力用半導体モジュールの余寿命を正確に推定することができるという効果を奏することができる。
【００４１】
なお、今回の説明では温度を推定する部位は３つにしたが、本発明においては前記のような事前に熱抵抗比が分かっている部位であればいくつあっても構わない。
【００４２】
＜各部位の余寿命の推定＞
次に、各部位の余寿命の推定の詳細を説明する。最初に、余寿命推定方法について説明する。例えば、ある部位の温度推定値の履歴を図１０（ａ）に示したような期間経過を辿ったとする。
【００４３】
このような各部位の温度推定値の履歴（時系列）からピーク値（極大値及び極小値）を求める。次いで、極大値と極小値との差の絶対値を温度差（温度振幅）ΔＴ（１）、ΔＴ（２），ΔＴ（３），ΔＴ（４），…，とする。ここで、ｉ番目の温度差ΔＴ（ｉ）が加えられた回数Ｎ（ｉ）は、通常往復１サイクルで１回と数えるため、Ｎ（ｉ）＝１／２とする。次いで温度差ΔＴ（ｉ）から各部位の疲労パラメータとして熱歪みΔε（ｉ）を算出する。
【００４４】
図１０（ｂ）は、熱歪みのΔεの大きさと、この熱歪みΔεの繰り返しが破断に至る寿命回数Ｎとの関係を示す寿命特性図である。熱歪みΔεが大きいほど、寿命回数Ｎは小さくなる。ここで、例えば、実際の熱歪みの分布より大きい代表熱歪みとしてΔεｆの振幅により、加熱と冷却とを繰り返す熱疲労加速寿命試験の結果として、寿命回数Ｎｆ回（サイクル）が得られたとする。
【００４５】
また、弾性変形限界値Δε０より大きい塑性変形の歪みと、これを繰り返した場合の寿命に達する負荷回数には、式（５）のマンソン・コフィン則が成り立つものとする。
【００４６】
Δε×Ｎ＾β＝Ｃ                                  …（５）      
ここで、Δε：変形の振幅、Ｎ：破断に至るまでのサイクル数（疲労寿命）、＾：べき乗符号、β：約０．４〜０．７の定数、Ｃ：定数である。
【００４７】
式（５）から、塑性変形範囲のある任意の熱歪みΔεｘによる寿命回数がＮｘすると、式（６）が成り立つ。
【００４８】
Ｎｆ／Ｎｘ＝（Δεｘ／Δεｆ）＾（１／β）        …（６）
式（６）より、熱歪みの振幅が単一ではなく分布する場合には、熱歪みΔε１の回数がｎ１、熱歪みΔε２の回数がｎ２，…，とすると、式（７）の累積損傷則が成り立つと寿命に達して破断する。この式（７）は、それぞれ異なる熱ひずみ振幅Δεｉによる疲労回数ｎｉを代表熱ひずみ振幅Δεｆの回数に換算して総和をとったものが、代表熱ひずみ振幅Δεｆにおける寿命回数Ｎｆ以上となったときに破断することを示している。
【００４９】
ｎ１（Δε１／Δεｆ）＾（１／β）＋ｎ１（Δε１／Δεｆ）＾（１／β）
＋…≧Ｎｆ                                          …（７）
次に、図５の詳細フローチャートを参照して、安全装置２による各部位の余寿命の推定について説明する。図５のフローチャートは、図４の温度検出及び温度推定が終了すると起動され、各部位Ａ，Ｂ，Ｃ毎に行われる。尚、図５及びその説明において、測定温度は、推定温度も含む当該部位の温度である。
【００５０】
まずＳ３０において、安全装置２は、例えば、部位Ａでは、現時点の測定温度Ｔａ（０）から前回の測定温度Ｔａ（−１）を引いた値と、前回の測定温度Ｔａ（−１）から前々回の測定温度Ｔａ（−２）を引いた値とが異符号か否かを判定する。異符号でなければ、当該部位の温度が極大または極小のピークに達していないとして、当該部位の余寿命推定は省略し、前回の余寿命推定値を使用する。
【００５１】
Ｓ３０の判定で異符号のとき、ピーク温度を示しいると判断でき、Ｓ３１へ進む。Ｓ３１では、安全装置２は、現時点の測定温度Ｔａ（０）から前回の測定温度Ｔａ（−１）を引いた値が負か否かを判定する。負の場合には、Ｓ３２で、安全装置２は、前回の測定温度Ｔａ（−１）を極大温度Ｔｍａｘとして、Ｓ３４へ進む。Ｓ３１の判定で負でない場合には、Ｓ３３において、安全装置２は、前回の測定温度Ｔａ（−１）を極小温度Ｔｍｉｎとして、Ｓ３４へ進む。Ｓ３４では、安全装置２は、極大温度Ｔｍａｘまたは極小温度ＴｍｉｎをデータＡに記憶するとともに、直近の極大温度Ｔｍａｘ及び極小温度Ｔｍｉｎを読み出す。部位Ｂおよび部位Ｃにおいても同様に行う。
【００５２】
次いで、Ｓ３５で、安全装置２は、直近の極大温度Ｔｍａｘ及び極小温度Ｔｍｉｎから温度差（温度振幅）ΔＴ（ｉ）と回数Ｎ（ｉ）を式（８），（９）により決定する。
【００５３】
ΔＴ（ｉ）＝｜Ｔｍａｘ（ｉ）−Ｔｍｉｎ（ｉ）｜      …（８）
Ｎ（ｉ）＝１／２                                    …（９）
次いで、Ｓ３６で安全装置２は、温度差ΔＴ（ｉ）から、熱疲労パラメータΔε（ｉ）を式（１０）により算出する。
【００５４】
Δε（ｉ）＝αΔＴ（ｉ）                            …（１０）
例えば、部位Ｂに与える熱疲労のメカニズムが事前に分かっていれば、温度差ΔＴｂによって固有の部位における固有の材料に与える疲労成分を推定することが可能になる。即ち、半導体チップ５１の発熱によって部位Ｂには温度差ΔＴｂ（ｉ）が加わる。その結果、熱膨張係数の異なる半導体チップ５１と絶縁基板５２の間に変位が生じるために、チップ下はんだ５９が歪むことが知られている。その熱ひずみが蓄積して最終的にチップ下はんだ５９にクラックが入り、それが半導体チップ５１の放熱経路における熱抵抗の増大につながり、最終的には半導体チップ５１で発生する熱を放熱しきれずに、半導体チップ５１が破壊して半導体モジュール１の故障となる。
【００５５】
これが部位Ｂのチップ下はんだ５９接合層の疲労破壊に基づくモジュールの故障メカニズムである。従って、部位Ｂ固有の半導体チップ５１と絶縁基板５２の熱膨張係数差に関係した温度差−熱ひずみ振幅換算式を確定することができる。例えば、Δεｂ（ｉ）＝αΔＴｂ（ｉ）となる。このαは、はんだ接合層を挟む２つの部材、半導体チップ５１と絶縁基板５２の熱膨張係数差と、はんだ接合層の面積および厚さに関係する係数である。なお、チップ下はんだ５９の機械的特性や温度依存性を考慮した多次元式を用いても構わない。この式を用いて部位Ｂに加わった温度差ΔＴｂ（ｉ）から疲労パラメータとしてのチップ下はんだ５９の熱ひずみ振幅Δεｂ（ｉ）が求まる。
【００５６】
部位Ａにおいては一般的にアルミニウム材を使用したワイヤ５７の疲労破壊が支配的なので、アルミニウムの機械的強度特性と、アルミニウムと半導体チップ５１との熱膨張係数差に関係した温度差−熱ひずみ振幅換算式が用いられる。部位Ｃにおいては一般的に基板下はんだ６０の疲労破壊が支配的なので、基板下はんだ６０の機械的強度特性と、はんだ層を挟む２つの部材、絶縁基板５２と放熱ベース５３との熱膨張係数差に関係した温度差−熱ひずみ振幅換算式が用いられる。この結果、各部位に加わる温度差ΔＴ（ｉ）がそこで疲労する材料の熱ひずみ振幅Δε（ｉ）に換算される。
【００５７】
次いでＳ３７で、安全装置２は、この熱ひずみ振幅Δε（ｉ）がその部位における疲労する材料にとって、疲労パラメータとなりえるかどうかを判断するために、しきい値Δε０より大きいか否かを判定する（図１０（ｂ）参照）。しきい値Δε０以下の場合、当該部位の余寿命の推定は打ち切り、前回の余寿命を今回の余寿命とする。しきい値Δε０より大きい場合、３８へ進む。
【００５８】
一般的にはんだの場合、弾性域での熱ひずみによる耐破断寿命は、塑性域でのそれに比べて、桁違いに高いことが知られている。従って、モジュールにおける疲労を議論する上では弾性域での熱ひずみ分は無視することができる。即ち、弾性域から塑性域に移る熱ひずみをしきい値Δε０とすることが可能である。部位Ｃにおいても同様である。
【００５９】
次いでＳ３８で、疲労パラメータΔε（ｉ）とその回数Ｎ（ｉ）から、代表疲労パラメータΔεｆにおける累積疲労損傷回数Ｎｆ（ｎ０）を更新する。まず式（５）のマンソン・コフィン則から導かれる式（１１）により、疲労パラメータΔε（ｉ）の回数Ｎ（ｉ）を疲労パラメータの代表値Δεｆにおける回数Ｎｆ（ｉ）に換算する。
【００６０】
Ｎｆ（ｉ）＝Ｎ（ｉ）×（Δε（ｉ）／Δεｆ）＾（１／β）    …（１１）
次いで回数Ｎｆ（ｉ）を、代表疲労パラメータΔεｆにおける前回までの累積疲労損傷回数Ｎｆ（ｎ−１）に加算して、今回の累積疲労損傷回数Ｎｆ（ｎ０）を得る。
【００６１】
Ｎｆ（ｎ０）＝Ｎｆ（ｉ）＋Ｎｆ（ｎ−１）                    …（１２）
この時の熱ひずみ−代表熱ひずみ換算式である式（１１）は、疲労する材料固有の疲労寿命特性に基づくものを用いる。即ち、それぞれの熱ひずみ振幅Δε（ｉ）における疲労損傷回数Ｎ（ｉ）を疲労寿命特性の式に基づき代表熱ひずみ振幅Δεｆの疲労損傷回数Ｎｆ（ｉ）に換算する。そして、全ての熱ひずみ振幅Δε（ｉ）を積算して累積疲労損傷回数Ｎｆ（ｎ０）＝ΣＮｆ（ｉ）を求め、それを代表熱ひずみ振幅Δεｆの寿命回数Ｎｆで割った値が疲労損傷率Ｎｆ（ｎ０）／Ｎｆとなる。これを１から引くことで余寿命率η（ｎ０）が求まる。例えば部位Ｂにおいて、チップ下はんだ５９の疲労寿命特性に基づく熱ひずみ−代表熱ひずみ換算式は、式（１１）に添字ｂを付加して、式（１３）で示せる。
【００６２】
Ｎｂｆ（ｉ）＝Ｎｂ（ｉ）×（Δεｂ（ｉ）／Δεｂｆ）＾（１／β）  …（１３）
ここで、βはチップ下はんだ５９の疲労延性指数から求まる材料固有の値であり、式（５）のマンソン・コフィン則で用いたβの値である。Ｎｂ（ｉ）とΔεｂ（ｉ）は先にＳ３７で選別されたデータであり、Δεｂｆは電力用半導体モジュール１の設計時に換算式と同時に代表値として任意に決定しておく値であり、必ずしも熱疲労加速寿命試験に用いた値でなくてもよい。
【００６３】
なお、この式（１３）においてもβは定数のみならず、温度依存性や熱ひずみ振幅の範囲に応じた多次元式や多項式を用いても構わない。このＮｂｆ（ｉ）から、累積疲労損傷回数Ｎｂｆ（ｎ０）＝ΣＮｂｆ（ｉ）が求まり、疲労損傷率Ｎｂｆ（ｎ０）／Ｎｂｆが求まる。即ち、部位Ｂの余寿命率ηｂ（ｎ０）＝１−Ｎｂｆ（ｎ０）／Ｎｂｆを求めることが可能である。
【００６４】
実際の計算では、計算の都度、ΣＮｆ（ｉ）を求めることはせずに、式（１２）に示したように、回数Ｎｆ（ｉ）を、代表疲労パラメータΔεｆにおける前回までの累積疲労損傷回数Ｎｆ（ｎ−１）に加算して、今回の累積疲労損傷回数Ｎｆ（ｎ０）を得るほうが計算量の削減になる。他の部位Ａ，Ｃの余寿命の推定も同様である。
【００６５】
このように、各部位を構成する材料に応じた疲労パラメータの演算式を用いて各部位の疲労パラメータを演算し、各部位に応じた寿命特性式を用いて各部位の余寿命を推定しているので、各部位の余寿命を正確に予測することができるという効果がある。
【００６６】
＜電力用半導体モジュールの余寿命の判定＞
次に、図６の詳細フローチャートを参照して、電力用半導体モジュールとしての余寿命の判定について説明する。図６のフローチャートは、図５の各部位の余寿命推定が終了すると起動される。
【００６７】
まずＳ４０において、安全装置２は、各部位の余寿命率ηａ（ｎ０），ηｂ（ｎ０），ηｃ（ｎ０）から最小値を求めて、これを電力用半導体モジュール１の余寿命率η（ｎ０）とする。即ち、各部位の余寿命率が求まれば、その中で最も余寿命率が小さい値となった部位が、最も早く破壊に至ると考えられるため、各部位の余寿命率中の最小値をモジュールの余寿命率としている。
【００６８】
このように電力用半導体モジュールの余寿命判定においては、推定した各部位の余寿命から最小値を求めて、この最小値を電力用半導体モジュールの余寿命とすることにより、正確に電力用半導体モジュールの余寿命を判定することができるという効果がある。
【００６９】
更に、モジュールの余寿命率を車両側に出力して表示することで電力用半導体モジュールの疲労程度を把握したり、あるしきい値を設けてそれを切った時点でアラームを表示することにしてモジュールの故障を未然に防いだり、また、その出力信号に基づいて車両の運動制御に変更を加えて寿命を延ばすことも可能になるという効果がある。延命処理については後述する。
【００７０】
次いで、Ｓ４１で安全装置２は、余寿命率を算出した時刻ｔ（ｎ０）と、モジュールの余寿命率η（ｎ０）と、各部位の余寿命率ηａ（ｎ０），ηｂ（ｎ０），ηｃ（ｎ０）とデータＢに追加記録して、Ｓ４２へ進む。
【００７１】
＜各部位の余寿命の推定（余寿命時間の応用）＞
ここで、余寿命率に代わって余寿命時間を用いる方法を説明する。データＢとして記憶した余寿命率を算出した時刻ｔ（ｎ０）と、モジュールの余寿命率η（ｎ０）と、各部位の余寿命率ηａ（ｎ０），ηｂ（ｎ０），ηｃ（ｎ０）とを読み出し、各部位毎の余寿命率の時間変化率から今後も正常に機能すると予想される余寿命時間を求めることが可能である。
【００７２】
例えば、部位Ｂにおいては、現時点での余寿命率と時刻をηｂ（ｎ０）、ｔ（ｎ０）とし、前回測定時の余寿命率と時刻をηｂ（ｎ−１）、ｔ（ｎ−１）とした場合、部位Ｂの余寿命時間ηｔｂ（ｎ０）は、余寿命をその低下速度で除算する式（１４）として求めることができる。
【００７３】
ηｔｂ（ｎ０）
＝ηｂ（ｎ０）×｛ｔ（ｎ０）−ｔ（ｎ−１）｝／｛ηｂ（ｎ−１）−ηｂ（ｎ０）｝
…（１４）
これを各部位毎に算出し比較することによってモジュールの余寿命時間ηｔ（ｎ０）が求まる。即ち、余寿命率の比較と同様、最も余寿命時間が小さい値となった部位が、最も早く破壊に至る部位であると特定できる。従って、各部位の余寿命とその低下速度から求めた各部位の余寿命時間の最小値をモジュールの余寿命時間とする。
【００７４】
これにより、電力用半導体モジュールの余寿命を時間として正確に把握することができるという効果がある。
【００７５】
Ｓ４２において、安全装置２は、現在の余寿命率η（ｎ０）と前回測定時の余寿命率η（ｎ−１）と、その間の経過時間から各部位での疲労速度ｄη／ｄｔを次の式（１５）で算出する。
【００７６】
ｄη／ｄｔ＝−｛η（ｎ０）−η（ｎ−１）｝／｛ｔ（ｎ０）−ｔ（ｎ−１）｝
…（１５）
次いでＳ４３で、安全装置２は、各部位の余寿命率ηを各部位の疲労速度ｄη／ｄｔで寿山することにより、各部位の余寿命時間ηｔ（ｎ０）を式（１６）により算出する。
【００７７】
ηｔ（ｎ０）＝−η（ｎ０）／（ｄη／ｄｔ）
＝η（ｎ０）×｛ｔ（ｎ０）−ｔ（ｎ−１）｝／｛η（ｎ−１）−η（ｎ０）｝                                                                      …（１６）
式（１６）に例えば部位Ｂを示す添字ｂを付ければ、式（１４）と同じとなる。部位Ａ，部位Ｃも同様に計算する。
【００７８】
次いでＳ４４で、安全装置２は、各部位の余寿命時間ηｔａ（ｎ０）、ηｔｂ（ｎ０）、ηｔｃ（ｎ０）から最小値を求めて、これをモジュールの余寿命時間ηｔ（ｎ０）とする。
【００７９】
このように。ある時刻における余寿命（瞬時余寿命率）だけではなく、熱疲労の進行速度を示す余寿命の低下速度を把握して余寿命時間を求めることにより、真に最初に寿命に達する部位を確実に特定するとともにその部位の余寿命時間をモジュールの余寿命時間として判定することにより、余寿命判定精度を更に高めることができるという効果がある。
【００８０】
次いでＳ４４で、安全装置２は、各部位の余寿命時間ηｔａ（ｎ０）、ηｔｂ（ｎ０）、ηｔｃ（ｎ０）と、モジュールの余寿命時間ηｔ（ｎ０）とをデータＢに追加記録してデータＢ＋として、モジュール余寿命の判定を終了する。
【００８１】
＜延命処置制御＞
次に、モジュールの延命処置制御について述べる。特に本発明では、疲労破壊する可能性のある全ての部位における疲労を把握できる特徴から、どこが最も累積疲労損傷度が高いかを判定し、必ずしも延命処理として半導体チップ５１自身の温度を下げる必要の無い場合も考えられる。即ち、本発明に従えば、延命制御手段は必ずしも電力用半導体モジュール１に求められる機能である出力値を下げたりその立上げ速度を落とすことだけではなく、モジュール停止中の加熱や冷却によって、またはモジュール稼働中の冷却システムの制御変更等によってモジュールの機能を下げることなくモジュールの延命を図ることも可能になる。
【００８２】
＜延命処置制御（部位の特定と方策）＞
次に、図７の詳細フローチャートを参照して延命処置を施す部位の特定と延命の方策について説明する。図７のフローチャートは、定期的（例えば１日毎）或いは安全装置２の起動毎に起動される。まずＳ５０で、安全装置２は、データＢを読み込む。次いでＳ５１で安全装置２は、モジュールの余寿命率η（ｎ０）または余寿命時間ηｔ（ｎ０）（以下、余寿命と記載）があるしきい値Ｘより小さいかどうかを判定する。余寿命がしきい値Ｘ以上であれば、延命処置は不要なので本フローを終了する。
【００８３】
Ｓ５１の判定で、余寿命がしきい値Ｘを下回った場合は、モジュールの寿命に近いと判断して、延命処置を実施する。次いでＳ５２で安全装置２は、余寿命が部位Ｃの余寿命に等しいか否かを判定する。これは、モジュールの余寿命が部位Ａ、Ｂ、Ｃのいずれの余寿命に規定されるかを再度確認するためである。部位ＡやＢの余寿命がモジュールの余寿命である場合は、半導体チップ５１近傍での温度差がモジュール破壊に導く主原因であることを示し、部位Ｃの余寿命がモジュールの余寿命である場合は、放熱器４近傍での温度差がモジュール破壊に導く主原因であることを示している。
【００８４】
従って、Ｓ５２の判定結果がＹｅｓの場合（モジュールの余寿命が部位Ｃの余寿命である場合）、放熱器４近傍における温度制御が必要となるので、安全装置２は、Ｓ５３へ進み、制御フラグＤをオンして、放熱器４近傍の電力用半導体モジュール１の接合部における温度制御を行う。この温度制御は、冷却制御部１５から、冷却水ポンプ５，ファン７を制御することにより達成される。
【００８５】
Ｓ５２の判定結果がＮｏの場合（モジュールの余寿命が部位Ａまたは部位Ｂの余寿命である場合）、半導体チップ５１近傍における温度制御または発熱源である半導体チップ５１に流れる電流や電圧の制御が必要となるので、安全装置２は、Ｓ５４へ進み、制御フラグＥをオンして、半導体チップ５１近傍の接合部における温度制御を行う。この温度制御は、ＳＷ周波数制御部１６，電流制御部１７及び電力制御部１８からインバータ制御部１０を制御することにより達成される。
【００８６】
例えば、電力制御部１８は、電力用半導体モジュール１の出力側につながる電動機のトルク立上り時に、トルク立ち上がり速度を制限することで、急激な半導体チップ５１の温度上昇を抑えることができる。またＳＷ周波数制御部１６は、半導体チップ５１のスイッチング周波数を下げることでも同様な効果が得られる。逆に、トルクを下げる際には半導体チップ５１のスイッチング周波数を上げることで急激なチップの温度低下を抑えることができる。また電流制御部１７は、半導体チップ５１に無効電流を流すことでも同様な効果が得られる。その結果、急峻な温度上昇や温度下降が少なくなり、材料に疲労を与える主要因である温度差の繰返し回数が減少するため、モジュールとしての余寿命は延期させることが可能となる。
【００８７】
＜延命処置制御Ｅ（チップ近傍の延命処置）＞
次に、図８の詳細フローチャートを参照して、半導体チップ５１近傍の延命処置である延命処置制御Ｅについて説明する。図８のフローチャートは、半導体チップ５１近傍における温度制御を行う必要があることを示す制御フラグＥがオンされている場合に、温度測定のタイミング（例えば１秒）毎に起動される。
【００８８】
まずＳ６０において、安全装置２は、インバータ制御部１０からの信号に基づいて、電力用半導体モジュール１が稼働中か否かを判定する。モジュールが稼働中でなければ、延命処置制御Ｅを終了して、図４の温度検出及び温度推定へ移る。
【００８９】
Ｓ６０の判定で、モジュールが稼働中であれば、安全装置２は、Ｓ６１へ進み、基準温度Ｔ０と、温度センサ３による代表部位の温度Ｔを検出する。本実施例では、冷却水温度センサ８が検出した冷却水温度を基準温度Ｔ０としている。
【００９０】
次いでＳ６２で、安全装置２は、モジュールが稼動中の各部位の温度を推定する。この温度推定は、図４のＳ２２と同じであるので詳細は省略する。次いでＳ６３で、部位Ｂにおける推定温度Ｔｂが予め決められた上限しきい値Ｙｂを超えているか否かを判定する。
【００９１】
部位Ｂの温度Ｔｂが上限しきい値Ｙｂを超えている場合、即ち想定されている部位Ｂの最高温度を超えた場合には、Ｓ６４へ進み、安全装置２は、電力用半導体モジュール１の最高出力電力を低下させることで、部位Ｂの疲労を抑制でき、モジュールとしての寿命を延ばすことが可能である。
【００９２】
Ｓ６３の判定で、部位Ｂの温度Ｔｂが上限しきい値Ｙｂ以下の場合は、Ｓ６５へ進み、安全装置２は、Ｔｂ（０）−Ｔｂ（−１）が負か否かを判定する。Ｔｂ（０）−Ｔｂ（−１）が負の場合には、温度Ｔｂが下降傾向にあるので、Ｓ６６へ進み、安全装置２は、ＳＷ周波数制御部１６からインバータ制御部１０でスイッチング周波数を上げる指示を行って、温度Ｔｂの急激な下降を抑える、または電流制御部１７によりモジュール１に無効電流を流す指示を行って、温度Ｔｂの急激な下降を抑える。
【００９３】
Ｓ６５の判定で、Ｔｂ（０）−Ｔｂ（−１）が０以上の場合には、温度Ｔｂが上昇傾向にあるので、Ｓ６７へ進み、安全装置２は、ＳＷ周波数制御部１６からインバータ制御部１０へスイッチング周波数を下げる指示を行って、スイッチング周波数を下げて温度Ｔｂの急激な上昇を抑えたり、電流制御部１７からインバータ制御部１０へ電流立ち上がりを抑制する指示を行って、温度Ｔｂの急激な上昇を抑える。
【００９４】
Ｓ６４，Ｓ６６，Ｓ６７による温度Ｔｂの振幅抑制の様子を図１１（ａ）に示す。これによって、部位Ｂに加わる温度差またはその回数が低減し、電力用半導体モジュール１の寿命を延ばすことができるという効果がある。
【００９５】
＜延命処置制御Ｄ（放熱器近傍の延命処置）＞
次に、図９の詳細フローチャートを参照して、放熱器４近傍の延命処置について説明する。図９のフローチャートは、放熱器４近傍における温度制御を行う必要があることを示す制御フラグＤがオンされている場合に、温度測定のタイミング（例えば１秒）毎に起動される。
【００９６】
まず７０において、安全装置２は、インバータ制御部１０からの信号に基づいて、電力用半導体モジュール１が稼働中か否かを判定する。モジュールが稼働中であれば、安全装置２は、Ｓ７１へ進み、冷却水温度センサ８が検出した冷却水温度である基準温度Ｔ０と、温度センサ３による代表部位の温度Ｔを検出する。
【００９７】
次いでＳ７２で、安全装置２は、モジュールが稼動中の各部位の温度を推定する。この温度推定は、図４のＳ２２と同じであるので詳細は省略する。次いでＳ７３で、安全装置２は、部位Ｃにおける温度Ｔｃが予め決められた上限しきい値Ｙｃを超えているか否かを判定する。
【００９８】
部位Ｃの温度Ｔｃが上限しきい値Ｙｃを超えている場合、即ち想定されている部位Ｃの最高温度を超えた場合には、Ｓ７４へ進み、安全装置２は、冷却制御部１５により、冷却水ポンプ５による流速を増加させたり、ファン７を駆動、または駆動回転数を増加させる。これにより放熱器４の冷却能力を高めて、部位Ｃの温度Ｔｃの急激な上昇を抑制することで、部位Ｃの疲労を抑制でき、電力用半導体モジュール１としての寿命を延ばすことが可能である。この場合の温度Ｔｃの制御の様子を図１１（ｂ）に示す。
【００９９】
Ｓ７３の判定で、部位Ｃの温度Ｔｃが上限しきい値Ｙｃ以下の場合には、安全装置２はＳ７５へ進み、部位Ｃの温度Ｔｃがある下限しきい値Ｚｃを下回っているか否かを判定する。部位Ｃの温度Ｔｃがある下限しきい値Ｚｃを下回った場合、即ち想定されている部位Ｃの最低温度を下回った場合には、安全装置２は、Ｓ７６へ進み、冷却制御部１５により、冷却水ポンプ５による流速を低下させたり、ファン７の駆動を停止、または駆動回転数を低下させる。これにより放熱器４の冷却能力を低下させて、温度Ｔｃの急激な下降を抑制できる。これによって、部位Ｃに加わる温度差またはその回数が低減する。Ｓ７５の判定で部位Ｃの温度Ｔｃがある下限しきい値Ｚｃ以上である場合には、適温であるので何もせずに、次のステップである各部位の余寿命の推定へ移る。
【０１００】
また、Ｓ７０の判定で、モジュールが稼動していない場合には、安全装置２はＳ７７へ進み、図４のＳ２３と同様に、冷却水温度センサ８による基準温度Ｔ０と、温度センサ３による代表部位の温度Ｔを検出する。次いでＳ７８で、安全装置２は、図４のＳ２４と同様に、代表部位の温度Ｔが全ての部位の温度になると推定する。
【０１０１】
次いでＳ７９で、安全装置２は、部位Ｃにおける温度Ｔｃがある上限しきい値Ｙｃを超えているか否かを判定する。温度Ｔｃがある上限しきい値Ｙｃを超えている場合、Ｓ８０へ進み、安全装置２は、電力用半導体モジュール１が稼動していないにも関わらず、冷却制御部１５により、冷却水ポンプ５及び必要に応じてファン７を稼動させることで、半導体モジュール１全体を一定の温度以上にすることを防止できる。従って部位Ｃに加わる温度差またはその回数が低減する。
【０１０２】
Ｓ７９の判定で、部位Ｃにおける温度Ｔｃが上限しきい値Ｙｃ以下の場合には、Ｓ８１へ進み、安全装置２は、部位Ｃにおける温度Ｔｃがある下限しきい値Ｚｃを下回っているか否かを判定する。部位Ｃにおける温度Ｔｃがある下限しきい値Ｚｃを下回った場合は、逆に加熱する必要があり、安全装置２は、Ｓ８１へ進み、電流制御部１７からインバータ制御部１０へ指示して、半導体チップ５１に無効電流を流したり、または図示しない発熱体を設置しておき、それをオンすることでモジュール全体を一定の温度以下にすることを防止できる。従って、部位Ｃに加わる温度差またはその回数が低減し、電力用半導体モジュール１の寿命を延ばすことができるという効果がある。
【０１０３】
＜まとめ＞
以上説明した本実施の形態によれば、電力用半導体モジュール１における各部位の余寿命を管理することによって、より確実なモジュールの故障を防止できモジュールの信頼性向上に寄与する。また、モジュール起動中でなくても温度検出を行うことによって、従来チップ周辺の疲労の支配要因であった発熱以外の負荷となる環境の温度変化も把握でき、より疲労検知の精度が上がる。特に放熱器近傍における疲労箇所として上げられる基板下ハンダ接合部においては重要な情報であり、正しい余寿命管理が可能となる。また、各部位で異なる疲労パラメータ演算式や寿命特性式を用いることで、より正確な余寿命を予測できる。また各部位での余寿命を比較することでモジュールとしての余寿命を把握できる。また、部位毎に余寿命を推定しているため、疲労要因である温度差を特定の部位で低減することによって、極力機能を落すことなく寿命を延ばすことも可能になり、モジュールとしての信頼性向上が図れる。
【符号の説明】
【０１０４】
１  電力用半導体モジュール
２  安全装置
３  温度センサ
４  放熱器
５  冷却水ポンプ
６  ラジエータ
７  ファン
８  冷却水温度センサ
９  冷却水路
１０  インバータ制御装置
１１  各部位温度推定部
１２  各部位余寿命推定部
１３  余寿命判定部
１４  延命制御部
【図１】
2010165717.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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